Электроматериаловедение, лабораторный практикум, тесты (стр. 2 )

. (14)

Полученные данные занести в таблицу 3. Длина исследуемого проводника указана на каждом образце материала.

Таблица 3 - Расчетные значения образцов проводниковых материалов

Номер образца провода №	Диметр проводника, d, мм	Сечение, S, мм	Длина м	Сопротивление R, Ом	Удельное сопротивление, , мкОм м	Удельная Проводимость , МОм/м См м
1
2
3
4

3. Проверить исправность приборов. Провести измерения электрических сопротивлений образцов проводниковых материалов.

ММВ. Подключить измеряемое сопротивление к зажимам прибора. Поставить в соответствующее положение переключатель диапазонов, нажать на кнопку и вращать ручку до тех пор, пока стрелка гальванометра не установится на нулевую отметку. Произвести отсчет.

МО-62 . Подключить измеряемое сопротивление к зажимам П1, П2.На переключателе плеч отношения установить выбранный множитель N (0,01 или 0,1). При нажатой кнопке «грубо», а затем «точно» вращением рукояток переключателей «xl00», «xl0», «xl», «0.01», «0.1» установить стрелку гальванометра на нуль. Произвести отсчет.

Р316. Порядок измерения указан на крышке прибора.

4. Измерить сопротивления металлических проводников. Данные измерений занести в таблицу 3.

5. Рассчитать величины удельного сопротивления и удельной проводимости проводниковых материалов. Данные занести в таблицу 3.

6. Проанализировав результаты расчетов параметров, определить виды металлов (сплавов) из которых изготовлены проводники.

7. Рассчитать температурную зависимость удельного электрического сопротивление заданного проводникового материала до температуры начала плавления.

8. Сделать выводы по лабораторной работе. Оформить и защитить отчет.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1  Наименование и цель работы.

1.  Фамилию студента и номер учебной группы.

2.  Основы классической электронной теории металлов для определения параметров удельных электрических проводимостей и сопротивлений металлических проводниковых материалов электроустановок.

3.  Метод определения электрических сопротивлений металлических проводников с помощью мостовой схемы.

4.  Описание лабораторной установки и ее электрической схемы.

5.  Исследуемые электрические и другие характеристики и необходимые таблицы с результатами измерений и вычислений.

6.  Расчетные формулы и экспериментальные данные, полученные при измерениях и вычислениях.

7.  Обоснованные выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.  Чему равна средняя кинетическая энергия электронов, находящихся в состоянии непрерывного хаотического движения?

2.  Чему равна плотность тока в металлическом проводнике, к которому приложено напряжение?

3.  Сформулируйте аналитическое выражение закона Ома для проводника в электрическом поле?

4.  Что представляет число Лоренца для металлических проводников?

5.  Что определяет характеристическая температура Дебая в металлическом проводниковом материале?

6.  Нарисуйте температурную зависимость удельного сопротивления проводника до температуры плавления металла.

7.  Нарисуйте принципиальную электрическую схему моста Уитстона.

8.  Объясните принцип действия мостовой схемы Уитстона.

9.  Какие у проводниковой меди достоинства?

10.  Какие у проводниковой меди недостатки?

11.  Какие достоинства у проводникового алюминия?

12.  Какие недостатки у проводникового алюминия?

13.  Какие у металлов со средним значением температуры плавления достоинства?

14.  Какие у металлов со средним значением температуры плавления недостатки?

15.  Какие свойства у тугоплавких электротехнических металлов?

16.  Какие благородные металлы применяются в автоматике электроустановок в качестве проводниковых? Перечислите их свойства.

17.  Какие припои применяются при эксплуатации электроустановок? Перечислите их свойства.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПО

ЭЛЕМЕНТАМ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследовать характер распределения напряжения на изолирующих и проводниковых элементах конструкций воздушной линии электропередач напряжением выше 1кв на примере модели гирлянды из пяти изоляторов.

ПРОГРАММА РАБОТЫ

1  Изучить влияние диэлектрических потерь на характер распределения электрического напряжения по элементам конструкции воздушной линии электропередач напряжением выше 1кВ.

2  Изучить методы определения падения напряжений на примере модели гирлянды изоляторов воздушной линии электропередач.

3  Изучить лабораторную установку для определения отклонения электрических напряжений на модели гирлянды изоляторов.

4  Выполнить измерения и провести расчеты распределения отклонений напряжения на элементах модели гирлянды изоляторов.

5  Построить электрические характеристики модели гирлянды изоляторов при появлении токов утечки на элементы конструкции воздушной линии электропередач напряжением выше 1кВ.

6  Провести анализ полученных экспериментальных данных и сделать выводы по лабораторной работе.

7  Сделать выводы и ответить на вопросы по лабораторной работе.

8  Оформить и защитить отчет по лабораторной работе.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. Потери энергии в диэлектриках происходят как при переменном, так и при постоянном напряжении, поскольку в изоляторах гирлянды по конструкциям воздушной линии электропередач протекает сквозной ток утечки, обусловленный электропроводностью. При эксплуатации электроустановок постоянного напряжения качество электроизоляционного материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного электрических сопротивлений изоляции электрооборудования.

При воздействии переменного напряжения на изоляторы в них кроме сквозной электропроводности могут проявляться другие механизмы превращения электрической энергии в тепловую. Например, потери возрастают, если в твердом диэлектрике есть газовые включения (поры). Поэтому качество электротехнических материалов гирлянды недостаточно характеризовать только сопротивлением ее изоляции.

Рассмотрим схему одного элемента гирлянды высоковольтной конструкции, эквивалентную конденсатору с диэлектриком. Схема выбрана с таким расчетом, чтобы активная мощность, расходуемая в ней, была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора.

Задачу можно решить, заменив конденсатор с потерями идеальным конденсатором с параллельно или последовательно включенным активным сопротивлением.

Эквивалентные схемы одного изолятора гирлянды высоковольтной конструкции и соответствующие векторные диаграммы токов и напряжений представлены на рисунке 1.

Параллельная и последовательная схемы одного изолятора эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивлений

Z1 = Z2 = Ζ равны их активные и реактивные составляющие.

Рисунок 1 – Параллельная (а) и последовательная (б) эквивалентные электрические схемы диэлектрика с потерями и соответствующие им векторные диаграммы

Для параллельной схемы из векторной диаграммы параметры:

. (1)

, (2)

а для последовательной схемы:

; (3)

. (4)

Приравнивая выражения (2) и (4), а также (1) и (3) найдем соотношения между емкостями и , и между сопротивлениями и :

; (5)

. (6)

Для изоляторов можно пренебречь значением параметра по сравнению с единицей в формуле (5) и считать емкости . Выражения для мощности, рассеиваемой в конструкции гирлянды изоляторов, в этом случае будут также одинаковы у обеих схем:

. (7)

При переменном напряжении емкость изолятора гирлянды воздушной линии электропередач с большими потерями становится условной величиной и зависит от выбора эквивалентной схемы.

Для изоляторов линии электропередач напряжением выше 1кВ параметры эквивалентной схемы зависят от частоты. Поэтому, определив значения емкости и эквивалентного сопротивления для данной конструкции изоляторов при промышленной частоте, нельзя использовать эти параметры для расчета угла диэлектрических потерь при другой частоте.

Такой расчет справедлив только в случаях, когда эквивалентная схема гирлянды изоляторов имеет физическое обоснование. Если для высоковольтного изолятора известно, что потери в нем определяются только потерями от сквозной электропроводности в широком диапазоне частот, то угол потерь изолятора гирлянды может быть вычислен для любой рабочей частоты, лежащей в этом диапазоне. Потери в таком изоляторе определяются выражением:

. (8)

Если же потери в электроизоляционном материале конструкции воздушной линии электропередач напряжением выше 1кВ обусловлены сопротивлениями соединительных проводов и электродов гирлянды изоляторов, то рассеиваемая мощность возрастет пропорционально квадрату частоты:

. (9)

Из выражения (9) можно сделать практический вывод: изоляторы на воздушной линии электропередач напряжением выше 1кВ, предназначенные для работы на высокой частоте, должны иметь по возможности малое сопротивление электродов, соединительных проводов и переходных контактов.

Диэлектрические потери, отнесенные к единице объема изолятора, называют удельными потерями. Их можно рассчитать по формуле:

, (10)

где - объем диэлектрика между плоскими электродами, м2; - напряженность электрического поля, В/м.

Параметр называют коэффициентом диэлектрических потерь. Удельные диэлектрические потери в электроизоляционном материале конструкции гирлянды воздушной линии пропорциональны коэффициенту потерь.

Таким образом, диэлектрические потери имеют значение для электроизоляционных материалов, используемых в электроустановках напряжением выше 1кВ, работающих как на промышленной, так и на высокой частоте, поскольку значение диэлектрических потерь пропорционально квадрату приложенного напряжения и частоте электрической сети. Большие диэлектрические потери в изоляторе воздушной линии вызывают сильный нагрев конструкции и могут привести к его тепловому и механическому разрушению гирлянды изоляторов воздушной линии.

В изоляторах гирлянды линии электропередач напряжением выше 1кВ наблюдаются три основных механизма пробоя: электрический, тепловой и электрохимический. Каждый из указанных механизмов пробоя может иметь место в одном и том же материале в зависимости от характера электрического поля электроустановки напряжением выше 1кВ - постоянного или переменного, импульсного, низкой или высокой частоты; времени воздействия напряжения; наличия в диэлектрике дефектов, закрытых пор; толщины материала; условий охлаждения и т. д.

Электрический пробой твердых диэлектриков характеризуется весьма быстрым развитием и протекает за время не болеес. Пробой не обусловлен тепловой энергией, хотя электрическая прочность при электрическом пробое зависит от температуры. Пробой сопровождается в своей начальной стадии разрушением диэлектрика гирлянды изоляторов в очень узком канале.

Электрический пробой по своей природе является чисто электронным процессом, когда из начальных электронов в изоляторе создается электронная лавина. Развитие лавин сопровождается фотоионизацией, которая ускоряет образование проводящего канала в изоляторе. Ускоренные полем электроны при столкновениях передают свою энергию узлам кристаллической решетки и разогревают ее вплоть до плавления. В разрядном канале создается значительное давление, которое может привести к появлению трещин в керамическом изоляторе или полному разрушению стеклянного изолятора гирлянды.

Чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев изолятора, а также отсутствует ионизация газовых включений. В случае однородного поля и полной однородности структуры материала изолятора, пробивные напряженности поля при электрическом пробое могут служить мерой электрической прочности конструкции гирлянды. Такие условия наблюдают у монокристаллов многих окислов и органических полимеров, используемых в различных изоляторах. Электрический пробой наблюдается у большинства изоляторов при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения на гирлянду.

Тепловой пробой конструкции воздушной линии электропередач возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в изоляторе гирлянды, превышает то количество энергии, которое может рассеиваться в изоляторе в данных условиях. В результате нарушается тепловое равновесие изолятора, а процесс потери электрической прочности приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву изоляционного материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению и обугливанию изолятора гирлянды. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только изолятора, но и конструкции гирлянды, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом изолятора, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и другими факторами. Пробивное напряжение зависит от нагревостойкости материала; органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения электротепловых пробивных напряжений, чем неорганические (кварц, керамика), при прочих равных условиях.

Признаками теплового пробоя гирлянды изоляторов является экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры окружающей среды. В реальных условиях явление теплового пробоя изоляторов протекает сложно. По толщине изолятора образуется перепад температуры, средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие к креплению гирлянды, сопротивление его резко падает, что ведет к искажению электрического поля. Имеет значение также и теплопроводность электротехнического материала конструкции гирлянды. Все это способствует пробою изоляторов при более низких напряжениях.

Рассмотрим схему конструкции гирлянды, состоящей из пяти изоляторов, электрическую схему замещения и зависимости распределения напряжения вдоль элементов гирлянды от расстояния (рисунок 2).

На воздушных линиях электропередач напряжением выше 1кВ широко используются линейные гирлянды изоляторов, распределение напряжения, по элементам которых можно определить с помощью схемы замещения, показанной на рисунке 2, где

·  С - емкость диэлектрического материала изоляторов;

·  С1 - емкость металлических элементов изоляторов относительно заземленных частей металлической опоры;

·  С2 - емкость металлических элементов конструкции изоляторов относительно находящегося под напряжением фазного провода;

·  R - сопротивление току утечки по поверхности изолятора.

Линейные гирлянды комплектуются из однотипных изоляторов и значения емкости схемы замещения находятся в следующих пределах:

С – 30…70пФ; С1 – 4…5пФ; С2 - 0,5…1,0пФ.

Разновидностью теплового пробоя изолятора можно считать ионизационный пробой. Явление характерно для изоляторов из твердых пористых диэлектриков и обусловлено ионизацией газа в порах. За счет ионизационных потерь разогревается поверхность закрытых пор, возникают локальные перепады температуры в изоляторе гирлянды и связанные с ними термомеханические напряжения конструкции. Такие процессы опасны в хрупких электротехнических материалах конструкции гирлянды, поскольку термомеханические напряжения могут превзойти предел прочности материала и вызвать растрескивание изоляторов гирлянды.

При чистой и сухой поверхности изоляторов активное сопротивление изолятора очень большое, поэтому R = ∞. Изоляторы гирлянды с потерями представлены в виде эквивалентной схемы (рисунок 2,б). В реальных условиях величина тока, протекающего через изоляторы, не остается постоянной и напряжение вдоль гирлянды распределяется неравномерно (рисунок 2,в).

а) б)

в

Рисунок 2 – Линейная гирлянда высоковольтных изоляторов: a - конструкция гирлянды из пяти изоляторов; б – электрическая схема замещения гирлянды; в - влияние расположения изоляторов на распределение напряжения вдоль элементов гирлянды

Независимо от выбора эквивалентной схемы гирлянды ряд параметров, характеризующих конструкцию, остается неизменным. К таким параметрам схемы относятся:

·  сдвиг фаз между током в неразветвленной части цепи и падением напряжения на всех элементах цепи;

·  значения тока и напряжения эквивалентной схемы;

·  диэлектрические потери в конструкции гирлянды изоляторов.

При этом изоляторы, расположенные в средней части гирлянды, оказываются менее нагруженными, чем у ее концов. Вследствие того, что емкость С1 > С2 наибольшее падение напряжения приходится на изоляторы ближайшие к фазному проводу линии электропередачи.

Выравниванию распределения напряжения вдоль гирлянды способствует применение специальной установочной арматуры в виде колец, восьмерок и овалов, которые применяются в месте подвески провода и увеличивают емкость С2 ближайших к проводу изоляторов.

При сильном загрязнении и увлажнении поверхностей изоляторов активное сопротивление уменьшается, поэтому распределение напряжения вдоль гирлянды определяется главным образом сопротивлениями току утечки. Если изоляторы гирлянды загрязнены и увлажнены равномерно по всей поверхности конструкции, то происходит естественное выравнивание распределения напряжения и увеличение тока утечки.

Распределение напряжения вдоль гирлянды изоляторов зависит не от величины приложенного напряжения высоковольтной линии электропередачи, а от соотношения параметров схемы замещения емкостей С, C1,C2 и сопротивления R. Это позволяет моделировать в лабораторных условиях процессы в гирлянде изоляторов при безопасных сверхнизких напряжениях.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка выполнена в виде стенда и на переднюю панель выведены переключатели SA1...SA9; клеммы XS1...XS7 схемы замещения гирлянды, автоматический выключатель QF1.

Стенд включает в себя лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) обозначение (TV) и схему замещения гирлянды изоляторов, состоящую из пяти активно – емкостных звеньев с элементами С = 4мкФ; С1 = 0,5мкФ; С2 = 0,1мкФ; а также активного сопротивления R, которое меняется в пределах от 150Ом до 4,ЗкОм.

На рисунке 3 показана схема лабораторной установки.

Рисунок 3 – Электрическая принципиальная схема лабораторной установки

Переключатели SA1…SA9 позволяют имитировать различные токи утечки, моделируя различные условия эксплуатации, линейной гирлянды изоляторов высоковольтной воздушной линии электропередачи. Переносной вольтметр PV предназначен для измерения напряжения в заданных точках схемы замещения.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать схему измерения, подсоединив клеммы автотрансформатора TV к входным клеммам XSA1, XSA7 схемы замещения изоляторов.

2. Подготовить к измерениям переносной вольтметр PV.

3. Подать питание, включив на стенде автоматический выключатель QF1.

4. Подключить переносной вольтметр PV к клеммам XSA1, XSA7 на входе схемы.

5. Установить на входе схемы замещения безопасное постоянное напряжение U1 = 100В.

6. Подключая переносной вольтметр последовательно к клеммам XSA2, XSA3, XSA4, XSA5 и XSA7 схемы, снять значения напряжения для пяти вариантов работы схемы замещения:

a) R = ∞, С1 = С2 = 0;

б) R = ∞, С1 ≠ 0, С2 = 0;

в) R = ∞, С1 ≠ 0, С2 ≠ 0;

г) R = ∞, С1 = 0, С2 ≠ 0;

д) R ≠ ∞, С1 ≠ 0, С2 ≠ 0.

8.  Заполнить таблицу 1 по каждому из пяти вариантов для отношений постоянных напряжений схемы, где = 2...5 (номера клемм).

Таблица 1 – Относительные значения напряжений на изоляторах гирлянды

Варианты	U2 / U1	U3 / U1	U4 / U1,	U5 / U1
а|
б
в
г
д

8. Закоротить одну из емкостей гирлянды изоляторов по заданию преподавателя (режим электрического пробоя изолятора), соединив проводником соответствующие клеммы электрической схемы.